LED点阵显示屏设计与制作毕业论文.doc

目 录摘要 11绪论21.1 LED显示屏的研究背景及意义22 LED电子显示屏的介绍22.1 LED显示屏简介22.2 LED显示屏的分类33 LED显示屏的组成43.1 LED显示模块结构43.2 LED显示系统的构成53.3 LED显示屏的硬件原理64 LED显示屏的设计74.1 LED点阵显示屏驱动设计74.2 LED显示屏的控制模式84.3 LED显示屏的主控电路84.4 LED显示屏的实现技术95 LED显示屏的应用105.1 LED显示屏的应用105.2成果展示与总结115.3 LED显示屏的术语解释13参考文献15致谢16LED显示屏设计与制作 摘要：LED就是light emitting diode （发光二极管）的英文缩写,它是一种能发光的二极管。LED显示屏（LED display），又叫电子显示屏或者飘字屏幕，是由LED点阵组成，通过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频等各种信息的显示屏幕，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构，通常由显示模块、控制系统及电源组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压或电流转为显示屏需要的电压电流。关键词：LED；数据传输；信息发布系统；单片机151 绪论 1.1 LED显示屏的研究背景及意义发光二极管(LED)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。近年来，随着高亮度发光二极管技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的LED显示屏技术条件也于1998年正式颁布实施。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京奥运成功举办等，成为LED显示屏产业发展的契机，我国LED显示屏及相关的技术必将得到飞跃发展。2 LED电子显示屏的介绍 2.1 LED显示屏简介LED电子显示屏是由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术屏幕同步的产品。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，被应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以满足不同使用场合的要求。LED 显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显示屏。一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏。图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断，而不控制LED的发光强弱。LED图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条屏，也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。条与平面显示屏在显示与控制的原理上并无区别。用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示，与静态显示模式相对应的就有各种动态显示模式，它所显示的图文都是能够动的。产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的;同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著，刷新太快，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。 2.2 LED显示屏的分类 1、按颜色基色可以分为:单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。双基色显示屏：红和绿双基色、256级灰度、可以显示65536种颜色。全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。 2、按显示器件分类 :LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。 LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 3、按使用场合分类 :室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，显示面积一般几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 4、按发光点直径分类 室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、25mm、31.25mm、36mm室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。3 LED显示屏的组成 3.1 LED显示模块结构 LED显示屏通常由若干LED点阵显示模块组成，用于显示的8x8单色LED显示点阵模块，每块有64个LED。为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED 。 8X8 LED点阵的外观及引脚如图3-1，等效电路图如图3-2所示。LED点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行LED。微处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、熄灭控制操作。图3-1 8*8点阵外观及引脚图 图3-2 8*8点阵等效电路3.2 LED显示系统的构成LED显示屏主要包括发光二极管构成的点阵或像素阵列、驱动电路、控制系统和传输接口以及相应的应用软件构成，如图3-3所示。输出接口电路输入接口电路信号控制、转换LED显示屏行列驱动控制系统PC机图3-3 LED显示系统构成专用型驱动电路，是国内一些有实力的LED显示屏制造厂家，通过先进的技术手段，研究开发出的适合自己产品的专用LED显示屏驱动IC。国外的许多IC制造商也在跟踪这个市场，纷纷推出一些新的驱动IC。这些专用型的驱动IC，有的比较简单，仅仅是提高了原来通用型驱动IC的集成度或驱动能力;有的则比较复杂，是根据自己的产品特点开发出来的。锁存型驱动是指显示屏上的每一个 LED都对应于一个驱动电路，与扫描型不同，驱动寄存器无需时分工作，每个LED的亮度占空比接近 100%。锁存型驱动如采用常规型的设计方法，则所用元器件较多，成本较高，如采用专用型或功能型IC设计，则成本将大幅度降低。一般室外LED显示屏大多用锁存型驱动。 3.3 LED显示屏的硬件原理LED显示屏由控制系统、驱动系统和显示器件组成，其中微处理器控制系统是整个显示屏的核心。屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用8X8单色显示单元。控制电路采用动态扫描驱动方式驱动LED器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。LED显示屏的系统硬件结构框图如图3-4 所示:图3-4 系统硬件结构框图LED大屏幕是由众多点阵模块排列而成。本系统由于横向点阵的列数较多，若采用列扫描方式来刷新点阵，有两点不足:一是点阵亮度受影响，二是整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。为了避免列扫描的不足，可以采用行扫描方式。这种扫描方式从每行模块的第一行LED顺次到该行模块的最后一行LED依次点亮模块的每一行。对于由8xS的模块构成的点阵来说，只要8次即可将每个模块刷新一次，也就是将屏幕刷新一次。LED显示屏作为一个单独的显示硬件，它能够将外来数据转换成图像显示出来。这个过程由硬件驱动程序来控制和实现。显示过程是这样的:首先控制显示的单片机接收LED屏主控微通信协议组织的数据);接着，主控程序将数据转换成屏幕显示的图形，存储到显存；再按照扫描顺序与屏幕对应关系，将显存内容转换成扫描内容;再将数据输出到控制单个LED模块的数据锁存器;最后扫描锁存器中的数据，刷新屏幕。4 LED显示屏的设计LED点阵电子显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，如汽车报站器、广告屏以及公告牌等。 4.1 LED点阵显示屏驱动设计 LED显示屏的扫描驱动电路原理见图4-1所示。显然，在脉冲周期的T1期间，LED处于发光状态，而在脉冲周期T2期间，LED处于熄灭状态。 图4-1 扫描驱动电路原理由于LED发光管没有余辉效应，则当扫描周期T(T1+ T2)较大时，也即亮暗重复得不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁;而当重复频率较高，即T较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的LED就为连续稳定的发光。理论 与实践证明，当T50Hz，时，在常规的背景亮度下，LED的显示就不会有闪烁感。根据这一原理，将LED发光管排成阵列行式结构，称横线为行，纵线为列。如N行LED共用一列数据，称其为I/N 扫描方式，或称1:N扫描。N常规取值有4, 8,16,32等。当N根行线中的某一行有效时(处于高电平)，则该行中的发光管亮暗全由对应的列线确定，列线为低电平，发光管就亮，列线为高电平，发光管灭。当N根行线分时工作且刷新速率足够高时，就能显示出一幅稳定完整的文字或图形。用74HC595作为列数据锁存器，用74HC 161作为行计数器，以74HC 164作为列译码驱动器，TIP127作为行驱动管。其工作原理为:利用串行时钟CLK信号，将第一行要显示的数据逐位移入74HC595中，当全行数据全部移到位后，产生的数据锁存信号STR将数据由74HC595的后台移入前台锁存，同时利用STR信号进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行PNP管饱和导通，即第一行的LED 正端全部接为高电平，由于在74HC595中锁存的数据将使对应的列驱动三极管8050导通或截止，所以第一行LED的亮暗将由所移入的数据确定，在第一行有效的时期内，移位时钟移入第二行要显示的数据，全部移入后，进行数据锁存并由计数译码电路产生第二行有效信号，显示第二行数据-一如此重复，当移位时钟足够高使整屏刷新速率50Hz时，就可显示一幅稳定完整的画面。 4.2 LED显示屏的控制模式单机工作模式采用一个单片机控制实现所有功能，其中包括LED点阵显示屏的刷新显示、模式设定、时间读取、温度检测，以及与上位机的通信等。只用一个单片机控制点阵显示屏可以使电路大大减化，软件设计方面也容易实现。但是，将所有功能集成在一起，一片AT89C51单片机处理能力是不够的。此时，单片机的CPU内部资源已显不足，会导致系统功能欠佳，达不到较好的性能。主从工作模式采用主从单片机工作方式来控制整个系统。其中一个单片机用于控制LED点阵显示，另外一个单片机用于扩展键盘、串口与上位机通信、温度测量、时间读取等工作。相对单机工作方式，主从工作模式的处理能力大大提高，并且分工明确，执行速度得到很大的提高。虽然硬件电路以及软件设计方面要求相对高了一些，更涉及到主从单片机通信问题。根据LED显示屏驱动电路的工作原理，要使LED显示屏同步显示PC机CRT上的实时信息，所设计的控制系统应包括与PC机的接口电路设计、信号控制及信号转换电路及输出至LED显示屏驱动电路的接口电路。输入接口电路的功能是如何获取CRT的数据信号及与此相关的信号，如像素点时钟、行、场同步信号等。 4.3 LED显示屏的主控电路系统主控器电路如图4-2所示，即为一单片机最小系统，外加扩展槽与一些功能电路，通过键盘扫描来确定工作模式以及完成相关操作。还包括了与上位机RS-232接口电路。其主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。 图4-2 电路图电路主要将单片机发送来的输出点阵数据，通过锁存器芯片扩展的I/0口，来控制LED点阵的64个列线端。4/16译码器74HC595对LED点阵的16行进行扫描。驱动电路由集成电路74HC595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。 4.4 LED显示屏的实现技术LED电子显示屏最基本的显示部件为LED管芯，根据人类视觉原理，可见的自然光是由红、绿、蓝三基色组成的。三种基色具有严格的波长，不同配比可组合成自然界各种各样的光。如白光配比的红、绿、蓝约为3: 6: 1。由红、绿、蓝三基色LED管芯按光强进行配比可组成像素点，整个LED电子显示屏就是由多个这样的像素点组成。在早期的LED电子显示屏显示控制电路中，大量采用的是常规数字电路系统设计，用数字电路组合出复杂控制逻辑。在常规数字电路系统设计中，当电路设计完成后，须先制作电路板，然后安装元件，调试。如果电路板的逻辑功能不符合要求，就必须重新设计制作，再重新调试，直到实现逻辑功能为止。很显然，这种设计方法的设计周期长，成本高，且成品可靠性差，维修麻烦。利用普通可编程的逻辑器件，虽可减少印刷电路板的设计与制做，但在修改该逻辑时仍旧不能避免器件的反复插拔。在系统可编程技术(In一SystemP rogrammable，缩写ISP)在用户自己设计的目标系统中或电路板上为重构逻辑器件编程或反复改写的能力。常规PLD在使用中通常是先编程后装配，而采用ISP技术的PLD则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程。系统可编程技术的出现，从实践上实现了逻辑设计师们多年来梦寐以求的“硬件设计与修改软件化”的愿望。采用ISP技术后，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可以随时加以修改或按预定的程序改变组态。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且根除了对器件单独编程的环节，省却了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。ISP技术在采用系统设计软件进行逻辑输入时，输入与所选器件无关。在输入之前可选择任何一种器件，甚至可以选择一种“虚拟器件”。在输入后，再根据仿真和适配的结果选择器件。这种器件改变了传统的数字系统设计方法采用可编程逻辑器件对器件进行设计，通过设计芯片来实现逻辑功能，这称为基于芯片的设计方法。新的设计方法增强了设计的灵活性，提高了工作效率，减少了芯片的数量，缩小了系统的体积，减低能源的消耗，提高了系统的性能指标和可靠性，尤其是在系统可编程技术(ISP)的出现解决了可编程器件的编程问题，简化了器件的设计流程，极大地缩短了新产品的研制、开发周期、给样机的设计、电路板的调试、系统制造、升级带来了革命性的变化。5 LED显示屏的应用 5.1 LED显示屏的应用随着集微电子技术，光电子技术，计算机技术，信息技术于一体的LED显示屏在各行各业的广泛应用，对其研究逐渐成为一个重要的课题。本文通过分析 LED显示屏的技术发展现状，根据实际应用需求，完整的设计了 LED显示屏控制系统。并且，针对系统中的关键问题进行详细的分析和实现，同时在理论上对其做了系统的论述和说明。基本符合预期设想，并在实际中得到应用。目前，LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。这一领域为LED显示屏的主要需求行业。上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。 （2）机场航班动态信息显示。首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机场都选用了国产的LED显示屏产品。 （3）港口、车站旅客引导信息显示。北京站、北京西站、南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。其他领域还包括体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息显示；邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；广告媒体新产品等等。而且随着LED技术的不断进步，新型发光管正逐步拓展着LED显示屏的应用市场。 5.2 成果展示总结 总结:通过分析LED 显示屏的技术发展现状，根据实际应用需求，完整的设计了LED显示屏控制系统。并且，针对系统中的关键问题进行详细的分析和实现，同时在理论上对其做了系统的论述和说明。基本符合预期设想，并在实际中得到应用。通过行列驱动电路完成LED点阵模块的驱动，实现在脱离计算机的模式下完成保存信息的显示功能。通过信息预先保存，不会因上位机的故障影响信息显示，突然断电也不会丢失数据。在本次设计工作中，通过对LED显示屏技术的发展的分析与研究，根据实际应用，采用最少的资源消耗，在系统的设计工作中得到了应用。但是由于LED显示屏的分析、设计与实际应用环境及应用目的有很大关系，所以对其控制系统的要求也是不同的。如果显示屏的面积要求很大，屏幕显示的信息量超大，那么要传输的数据量也随之增大，如何设计出更理想的字模保存方法以及数据传输时的压缩算法需要进一步的研究和探讨。本系统设计着重于对双色屏的研究对于灰度不同的真彩色LED显示屏的设计以及设备的驱动，有待于进一步的学习探讨。 成果展示：5.3 LED 显示屏的术语解释LED显示屏术语解释：色彩：将红色和绿色LED放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双色屏和彩色屏；将红、绿、蓝三种放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。像素：制作室内LED屏的像素尺寸一般是2-10毫米，常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体。室外LED屏的像素尺寸多为12-26毫米。每个像素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称像素筒。显示速度：是指LED显示屏更新和转换画面的速度，通常用帧/秒来表示。接口：VGA输入接口：VGA接口采用非对称分布的15pin连接方式，其工作原理：是将显存内以数字格式存储的图像（帧）信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到等离子成像，这样VGA信号在输入端（LED显示屏内），就不必像其它视频信号那样还要经过矩阵解码电路的换算。从前面的视频成像原理可知VGA的视频传输过程是最短上网，所以VGA接口拥有许多的优点，如无串扰无电路合成分离损耗等。标准视频输入（RCA）接口：也称AV接口，通常都是成对的白色的音频接口和黄色的视频接口，它通常采用RCA（俗称莲花头）进行连接，使用时只需要将带莲花头的标准AV线缆与相应接口连接起来即可。AV接口实现了音频和视频的分离传输，这就避免了因为音/视频混合干扰而导致的图像质量下降，但由于AV接口传输的仍然是一种亮度/色度（Y/C）混合的视频信号，仍然需要显示设备对其进行亮/色分离和色度解码才能成像，这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号的损失，色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰从而影响最终输出的图像质量。AV还具有一定生命力，但由于它本身Y/C混合这一不可克服的缺点因此无法在一些追求视觉极限的场合中使用。通信距离：一般LED显示屏的信号输入是微机或其他设备，显示屏离信号输入设备都有一段距离，所以要求LED显示屏必须支持远距离信号的输入并还原，基本所有的LED显示屏都支持10米以上的信号输入。寿命：通常LED显示屏都在室外使用，所以要求LED显示屏能适应户外多变的使用环境，在抗老化和无故障运行要比其它显示设备都要稍胜一筹，一般正常无故障的使用时间都可以达到5000小时以上。LED显示屏：LED就是light emitting diode，发光二级管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二级管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字 、英文文体和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证劵市场、建筑市场、拍卖行、工商企业管理和其它公共场所。它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易于集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。 参考文献1李光飞.单片机课程设计实例指导.北京航天航空大学出版社，2004，22-502余锡存等.单片机原理及接口技术.西安电子科技大学出版社，2007，33-1003蔡美琴等. MCS-51系列单片机应用技术.高等教育出版社，1993，23-454佘永权. ATMEL89系列单片机应用技术.北京航天航空大学出版社，1993，28-665李朝青.单片机学习指导.北京航天航空大学出版社，2005,77-896王守中.51单片机开发入门与典型实例.人民邮电出版社，2007,32-657黄庆华等.单片机开发技术实训.电子工业出版社，2006,76-127 8关积珍.我国LED显示屏产业冷思考.北京:电子产品世界,1998，27-289蔡亮.微机控制的LED显示屏.电子技术，1997，：27-4610刘泽民.大屏幕视频真彩色显示技术.电子技术，1997，19-2111程立敏.VB编程基础与串口通信技术.吉林:吉林化院,2004, 20-8512于国庆，高俊岭，朱英杰.ZX-1型大屏幕LED智能显示系统的设计电子技术应用，1995，22-56致 谢大学的学习即将结束，在此期间，我处于紧张的学习和生活当中。应用电子专业是一个有着积极奋进，充分活力的集体。在这里，我感受到了浓厚的学习气氛，接触到了丰富的专业知识，逐渐培养了学习研究能力。借此机会，我要衷心感谢我的导师对我的教诲、关心和帮助。本论文是在导师的精心指导下完成的。在论文的研究过程中，老师在学习和生活中给予我热情的关怀与帮助。在学习中，给我提供了一个宽松的学习环境，使我能充分发挥自己的思维和创造能力。从论文的选题，方案的制定以及论文的撰写，都得到了老师的热心帮助。在研究过程中，开阔了我的视野，为以后的学习、工作打下了坚实的基础。同时 ，要感谢课题组的其他同学，他们给予我无私的帮助和极大的帮助，共同攻克难关的经历将成为我美好的回忆。同时还要感谢大学几年来所有的老师，为我们打下电子专业知识的基础；然后还要感谢所有的同学们，正是因为有了大家的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。在此，向曾经帮助过我的同学表示感谢。 最后，衷心的感谢电子信息系各位老师几年来对我谆谆不讳的教导与培养，使得我顺利完成学业.